EP1510787B1

Method and rotary encoder for measuring the absolute angular position

Abstract

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EP1510787B1, drawing sheet 1
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Expired 24 August 2024, 2.1 years ago.

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18 claims: 6 independent, 12 dependent

  1. 1
    Verfahren zur Erfassung einer absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils, insbesondere einer Welle (3), bei dem in einer ersten ortsfesten Einheit, welche eine Auswerteelektronik (5) aufweist, mindestens zwei unabhängige magneto-resistive Sensorpaare (6, 7, 8) durch mindestens eine Magnetfeldquelle vormagnetisiert werden, wobei die Sensorpaare (6, 7, 8) in unmittelbarer Nähe der Magnetfeldquelle angeordnet sind und wobei in einer zweiten mit dem Bauteil rotierbaren Einheit mindestens ein Modulator (9), der stellungsabhängig den magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle am Ort der Sensorpaare (6, 7, 8) in Dichte und/oder Richtung verändert, infolge seiner Rotation mit dem Bauteil die Sensoren periodisch überdeckt und deren Erregung beeinflusst, wobei die Sensoren je eines Sensorpaars (6, 7, 8) so angeordnet sind, dass sie durch die Überdeckungselemente des Modulators mit einem Winkelunterschied von einer viertel Überdeckungsperiode überdeckt werden, gekennzeichnet durch eine Überdeckung unterschiedlicher Sensorpaare (6, 7, 8) mit einer voneinander abweichenden Überdeckungsperiodenlänge bei Rotation des Bauteils und Bestimmung des absoluten Winkels durch Vergleich der Erregungsstärke verschiedener Sensorpaare (6, 7, 8) und Sensoren je eines Sensorpaars untereinander, wobei die Sensoren GMR-Sensoren sind.
  2. 2
    Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material bestehenden Modulator (9).
  3. 3
    Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Abstand der magneto-resistiven Sensoren von dem mindestens einen Modulator (9) bei gewählter magnetischer Flussdichte der mindestens einen Magnetfeldquelle, der so bemessen wird, dass der magnetfeldempfindliche Teil der magneto-resistiven Sensoren so positioniert ist, dass dieser von den Dichte- und Richtungsänderungen des magnetischen Flusses bei Rotation des Modulators (9) unbeeinflusst bleibt, die in Folge des diskontinuierlichen Übergangs von Luft zu ferromagnetischem Material in der unmittelbaren Nähe der Oberfläche des mindestens einen Modulators (9) unerwünschte unharmonische Komponenten aufweisen.
  4. 4
    Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Überdeckungsperiodenlänge, deren Differenz eine kürzere Überdeckungsperiodenlänge geteilt durch die Anzahl der längeren Überdeckungsperioden entlang einer Winkelperiode von 2π des zu erfassenden Winkels beträgt.
  5. 5
    Winkelgeber (1) zur Erfassung der absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils, insbesondere einer Welle (3), bestehend aus einer ersten ortsfesten Einheit, welche eine Auswerteelektronik (5) aufweist, in der mindestens zwei unabhängige magneto-resistive Sensorpaare (6, 7, 8) durch mindestens eine Magnetfeldquelle vormagnetisiert werden, wobei die Sensorpaare (6, 7, 8) in unmittelbarer Nähe der Magnetfeldquelle angeordnet sind und wobei in einer zweiten mit dem Bauteil rotierbaren Einheit mindestens ein Modulator (9), der stellungsabhängig den magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle am Ort der Sensorpaare (6, 7, 8) in Dichte und/oder Richtung verändert, infolge seiner Rotation mit dem Bauteil die Sensoren periodisch Überdeckt und deren Erregung beeinflusst, wobei die Sensoren je eines Sensorpaars (6, 7, 8) so angeordnet sind, dass sie durch die Überdeckungselemente des Modulators mit einem Winkelunterschied von einer viertel Überdeckungsperiode überdeckbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdeckung unterschiedlicher Sensorpaare (6, 7, 8) mit einer voneinander abweichenden Frequenz erfolgt und die Bestimmung der absoluten Winkelposition aus dem Vergleich der Erregungsstärke verschiedener Sensorpaare (6, 7, 8) und der Sensoren je eines Sensorpaars (6, 7, 8) untereinander erfolgt, wobei die Sensoren GMR-Sensoren sind.
  6. 6
    Winkelgeber gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Magnetfeldquelle aus einem Permanentmagneten und/oder Elektromagneten, bevorzugt aus einer schräg magnetisierten Permanentmagnetfolie, besteht.
  7. 7
    Winkelgeber gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld gegenüber den Sensoroberflächen unter einem Winkel von 5° bis 85°, bevorzugt von ungefähr 45° zur Normale der Ebene jedes einzelnen Sensors ausgerichtet ist.
  8. 8
    Winkelgeber gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet ein AlNiCo-, Sinter- oder Seltenerdmagnet ist.
  9. 9
    Winkelgeber gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die unmodulierte Magnetfeldstärke am Ort eines Sensors 1 mT bis 300 mT, bevorzugt ungefähr 15 mT beträgt.
  10. 10
    Winkelgeber gemäß Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren direkt auf der mindestens einen Magnetfeldquelle angeordnet sind.
  11. 11
    Winkelgeber gemäß Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale der Sensoroberfläche parallel, schräg oder senkrecht zur Rotationsachse des mindestens einen Modulators ausgerichtet ist.
  12. 12
    Winkelgeber gemäß Anspruch 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in einem Bereich von 100 µm bis 5 mm, bevorzugt von 500 µm bis 1,5 mm entfernt von dem mindestens einen Modulator (9) angeordnet sind.
  13. 13
    Winkelgeber gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modulator (9) zur Achse des zu erfassenden Winkels aus mindestens zwei koaxial angeordneten ferromagnetischen Zahnrädern mit einer Stirnrad- und/oder Planradverzahnung besteht.
  14. 14
    Winkelgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zahnräder eine unterschiedliche Anzahl Zähne aufweisen, bevorzugt paarweise einen Unterschied von einem Zahn aufweisen.
  15. 15
    Winkelgeber gemäß einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modulator (9) aus einer Gruppe von drei koaxialen Zahnrädern besteht, wobei die Zahnräder 64, 63 und 56 Zähne aufweisen.
  16. 16
    Winkelgeber gemäß einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modulator (9) zur Achse des zu erfassenden Winkels aus mindestens einer koaxial angeordneten ferromagnetischen Scheibe (9) besteht, welche radiale Schlitze, Vertiefungen oder Erhöhungen aufweist.
  17. 17
    Winkelgeber gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine koaxial angeordnete ferromagnetische Scheibe (9) mindestens zwei konzentrische koaxial angeordnete Ringe (12, 13 14), die aus äquidistant angeordneten Schlitzen, Vertiefungen oder Erhöhungen bestehen, aufweist.
  18. 18
    Winkelgeber gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine koaxial angeordnete ferromagnetische Scheibe (9) drei konzentrische koaxial angeordnete Ringe (12, 13, 14), die aus äquidistant angeordnete Schlitzen bestehen, aufweist, wobei die Ringe 64, 63 und 56 Schlitze aufweisen.
Independent claims18